Diseño y fabricación mediante impresión 3D de una prótesis mecánica de brazo

Abstract

El conjunto locomotor formado por el brazo y la mano humana es uno de los segmentos más complejos del cuerpo humano debido a ciertos movimientos presentes tales como la supinación, la pronación o la variedad de agarres que ofrece. Suplantar el conjunto descrito imitando los movimientos presentes – también conocido como biomímesis – es, entonces, un gran reto tecnológico. El objetivo de este proyecto es dar solución a dicho reto diseñando y fabricando, mediante impresión 3D, una prótesis transradial – amputación por debajo del codo – que sea accesible económicamente para superar el obstáculo de la restricción presupuestaria. Con el objetivo de abordar este reto, el trabajo se halla dividido en dos partes diferenciadas. El primer bloque se compone del estado del arte y de estudios previos. En él, se hace un resumen de la historia de prostética para proyectar y situar el contexto del trabajo, resaltando con ello la necesidad de la utilización de las prótesis para aquellos que las necesiten. Con este fin, también se ha realizado una incursión en el mercado de las prótesis elaborando un estudio sobre qué tipo se ajusta mejor a ciertos parámetros establecidos, entre los cuales destacan la ligereza, la accesibilidad económica, tiempo de fabricación, entre otros. Una vez se han obtenido todos estos datos fruto del estado del arte, se procede a entender el funcionamiento anatómico y biológico de los segmentos afectados, esto es, el antebrazo y la mano humana. El objetivo de estas secciones es, consecuentemente, obtener conocimientos de las características más fundamentales del conjunto locomotor mencionado para así ser implantados en el diseño. Por último, se profundizará en el campo de la fabricación aditiva; concretamente, en el modelado por deposición fundida – o FDM, en inglés -. El segundo bloque del proyecto parte de la idea de realizar un boceto de los diferentes componentes del ensamblaje implementando toda la información obtenida en el bloque anterior. Con este fin, primordialmente se seguirá una línea metodológica basada en un diseño minimalista pero que, no obstante, cubra todas las carencias de las personas que sufren este tipo de amputación. De esta forma, se consigue reducir los costes relacionados con el material y el gasto energético, aportando así por una fabricación más sostenible. Para abordar el asunto de la flexibilidad de diseño para adaptarse a las necesidades de cada usuario, se ha empleado la técnica del diseño paramétrico, pues así se consigue reducir los costes humanos. Tras verificar mediante elementos finitos la rigidez estructural del conjunto frente a las solicitaciones calculadas, se procede a fabricar con PLA reciclado el prototipo diseñado. El resultado final obtenido fruto de todo lo anterior es una prótesis transradial mecánica con un diseño no sólo eficiente en cuanto a tiempo de fabricación sino también de gran accesibilidad económica y que permite realizar los movimientos y agarres más esenciales para mejorar el día a día del potencial usuario. Para concluir con el proyecto, se realiza un estudio económico de todo el proceso, así como también un análisis del impacto medioambiental generado a lo largo de todo el ciclo de vida de la prótesis.

El conjunt locomotor format pel braç i la mà humana ´es un dels segments més complexos del cos humà a causa de certs moviments presents com ara la supinació, la pronació o la varietat d’agafades que ofereix. Suplantar el conjunt descrit imitant els moviments presents – també conegut com a biomimesi – és, doncs, un gran repte tecnològic. L’objectiu d’aquest projecte ´es donar solució a aquest repte dissenyant i fabricant, mitjançant impressió 3D, una pròtesi transradial – amputació per sota del colze – que sigui econòmicament accessible per superar l’obstacle de la restricció pressupostària. Amb l’objectiu d’abordar aquest repte, el treball està dividit en dues parts diferenciades. El primer bloc es compon de l’estat de l’art i els estudis previs. S’hi fa un resum de la histària de prostàtica per projectar i situar el context del treball, ressaltant amb això la necessitat de la utilització de les pròtesis per a aquells que les necessitin. A aquest efecte, també s’ha realitzat una incursió al mercat de les pròtesis elaborant un estudi sobre quin tipus s’ajusta millor a certs paràmetres establerts, entre els quals destaquen la lleugeresa, l’accessibilitat econòmica, temps de fabricació, entre d’altres. Un cop s’han obtingut totes aquestes dades fruit de l’estat de l’art, es procedeix a entendre el funcionament anatòmic i biològic dels segments afectats, ´es a dir, l’avantbraç i la mà humana. L’objectiu d’aquestes seccions ´es, consegüentment, obtenir coneixements de les característiques més fonamentals del conjunt locomotor esmentat per implantarlos així en el disseny. Per acabar, s’aprofundirà en el camp de la fabricació additiva; concretament, en el modelatge per deposició fosa – o FDM, en anglès –. El segon bloc del projecte parteix de la idea de realitzar un esbós dels diferents components de l’assemblatge implementant tota la informació assolida al bloc anterior. A aquest efecte, primordialment se seguirà una línia metodològica basada en un disseny minimalista però que, no obstant això, cobreixi totes les mancances de les persones que pateixen aquest tipus d’amputació. D’aquesta manera, s’aconsegueix reduir els costos relacionats amb el material i la despesa energètica, aportant així una fabricació més sostenible. Per abordar l’assumpte de la flexibilitat de disseny per adaptar-se a les necessitats de cada usuari, s’ha fet servir la tècnica del disseny paramètric, ja que així s’aconsegueix reduir els costos humans. Després de verificar mitjançant elements finits la rigidesa estructural del conjunt davant de les sol·licitacions calculades, es procedeix a fabricar amb PLA reciclat el prototip dissenyat. El resultat final aconseguit fruit de tot això és una pròtesi transradial mecànica amb un disseny no només eficient quant a temps de fabricació sinó també de gran accessibilitat econòmica i que permet realitzar els moviments i agafades més essencials per millorar el dia a dia del potencial usuari. Per concloure amb el projecte, es porta a cap un estudi econòmic de tot el procés, així com una anàlisi de l’impacte mediambiental generat al llarg de tot el cicle de vida de la pròtesi.

The locomotive set formed by the human arm and hand is one of the most complex segments of the human body due to certain present movements such as supination, pronation or the variety of grips it offers. Impersonating the set described by imitating the present movements – also known as biomimicry – is, then, a great technological challenge. The goal of this project is to solve this challenge by designing and manufacturing, through 3D printing, a transradial prosthesis - amputation below the elbow - economically accessible to overcome the obstacle of the budget constraint. To address this challenge, the work is divided into two different parts. The first part is made up of the state of the art and previous studies. In it, a summary of the history of prosthetics is made to project and situate the context of the work, thereby highlighting the need for the use of prostheses for those who need them. To this end, an incursion into the prosthesis market has also been carried out, preparing a study on which type best adjusts to certain established parameters, among which are lightness, economic accessibility, manufacturing time, among others. Once all these data from the state of the art have been obtained, the following goal is to understand the anatomical and biological functioning of the affected segments, that is, the forearm and the human hand. The objective of these sections is, consequently, to obtain knowledge of the most fundamental characteristics of the mentioned locomotive set to be implanted in the design. Finally, the additive manufacturing will be thoroughly developed; specifically, in fused deposition modelling (FDM). The second part of the project is based on the idea of making a sketch of the different components of the assembly, implementing all the information obtained in the previous parts. To this end, primarily a methodological line based on a minimalist design will be followed but, nevertheless, it covers all the deficiencies of people who suffer this type of amputation. In this way, it is possible to reduce the costs related to the material and energy expenditure, thus contributing to a more sustainable manufacturing. To address the issue of design flexibility to adapt to the needs of each user, the parametric design technique has been used, as this is how human costs are reduced. After verifying through finite elements the structural rigidity of the set against the calculated stresses, the designed prototype is manufactured with recycled PLA. The final result obtained as a sum of all of the above is a mechanical transradial prosthesis with a design that is not only efficient in terms of manufacturing time but also of great economic accessibility and that allows the most essential movements and grips to improve the day-to-day of the potential user. To conclude with the project, an economic study of the entire process is carried out, as well as an analysis of the environmental impact generated throughout the entire life cycle of the prosthesis.